Überblick über Titanaluminid-Pulver
Titanaluminidpulver ist ein hochentwickeltes technisches Material, das aus Titan und Aluminium hergestellt wird. Es hat in den letzten Jahren aufgrund seiner hervorragenden Kombination aus hoher Festigkeit, geringer Dichte und hoher Temperaturbeständigkeit stark an Interesse gewonnen.
Einige wichtige Informationen über Titanaluminidpulver:
- Zusammensetzung: Titan in Kombination mit Aluminium sowie anderen Legierungselementen wie Niob oder Molybdän
- Produktionsmethoden: Gasverdüsung, Plasma-Rotationselektroden-Verfahren (PREP), mechanisches Legieren
- Partikelgrößen: Von 10 Mikron bis 150 Mikron typischerweise
- Gemeinsame Phasen: Intermetallische Phasen Gamma (γ) und Alpha-2 (α2) Titanaluminid
- Dichte: 3,7 - 4,25 g/cm3, viel geringer als bei Titan- oder Stahllegierungen
- Schmelzpunkt: Über 1.250°C
Titanaluminid bietet bessere Eigenschaften als herkömmliche Titanlegierungen für Leichtbau- und Hochtemperaturanwendungen wie z. B. Bauteile in der Luft- und Raumfahrt. Allerdings gibt es auch Herausforderungen wie geringe Duktilität und Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur. Laufende Forschungsarbeiten zielen darauf ab, die Verarbeitungsmethoden und Legierungszusätze zu optimieren, um die kommerzielle Nutzung zu erweitern.
Zusammensetzung
Die Hauptbestandteile von Titan-Aluminid-Legierungen sind Titan, Aluminium und andere Legierungselemente:
| Element | Gewicht % |
|---|---|
| Titan (Ti) | 50 – 80% |
| Aluminium (Al) | 10 – 25% |
| Niobium (Nb) | 0 – 10% |
| Molybdän (Mo) | 0 – 5% |
| Chrom (Cr), Vanadium (V) | 1% je max. |
Die wichtigsten intermetallischen Phasen sind:
- Gamma-Titanaluminid (γ-TiAl): Flächenzentrierte tetragonale Kristallstruktur, geordnete Phasenkombination aus Titan und Aluminium. Vor allem für Hochtemperaturanwendungen interessant.
- Alpha-2-Titanaluminid (α2-Ti3Al): Hexagonale Kristallstruktur, geordnete Phase von Titan und Aluminium. Bietet Duktilität bei Raumtemperatur, hat aber eine geringere Festigkeit bei hohen Temperaturen.
Durch die Optimierung des Verhältnisses zwischen γ-TiAl, α2-Ti3Al und anderen Phasen lassen sich die Eigenschaften auf die jeweiligen Bedürfnisse abstimmen.
Produktionsmethoden
Titanaluminid-Pulver können mit Hilfe moderner pulvermetallurgischer Verfahren hergestellt werden:
| Methode | Beschreibung | Partikelgrößen | Vorteile |
|---|---|---|---|
| Gaszerstäubung | Unterbrechung des Stroms geschmolzener Legierungen mit Hilfe von Gasdüsen | 10 - 150 μm | Hohe Pulverausbeute, verschiedene Größen |
| Verfahren mit rotierenden Plasmaelektroden (PREP) | Zentrifugaler Aufschluss einer rotierenden geschmolzenen Elektrode | 45 - 150 μm | Kontrolle über Pulvergrößen und Qualität |
| Mechanisches Legieren | Wiederholtes Kaltschweißen und Zerbrechen von Pulverpartikeln | 10 - 100 μm | Legierungsflexibilität, Verbundwerkstoff-Pulver |
Bei der Gaszerstäubung werden unter Druck stehende Gasstrahlen auf einen Schmelzestrom gerichtet, um schnell erstarrte kugelförmige Pulver zu erzeugen. Bei der Plasma-PREP wird eine Elektrode durch Plasmabrenner geschmolzen und durch Zentrifugalkräfte zersetzt. Beim mechanischen Legieren wird nicht geschmolzen, sondern es werden durch Mechanochemie Verbundpartikel erzeugt. Beide Verfahren haben einzigartige Vorteile bei der Herstellung von Titanaluminid.
Eigenschaften
Titanaluminide bieten ein seltenes Gleichgewicht an nützlichen mechanischen und physikalischen Eigenschaften:
| Eigentum | Einzelheiten | |
|---|---|---|
| Stärke | Zugfestigkeit | 500 - 1100 MPa |
| 0.2% Streckgrenze | 400 - 900 MPa | |
| Dichte | Spezifische Schwerkraft | 3,7 - 4,25 g/cm3 |
| Thermische | Schmelzpunkt | Über 1250°C |
| Koeffizient der thermischen Ausdehnung | 11 - 13 x 10-6 K-1 | |
| Duktilität | Dehnung bei Raumtemperatur | 0.5 – 2% |
Die Kombination aus hoher Festigkeit, geringer Dichte und Beibehaltung der Festigkeit bei über 600 °C macht Titanaluminide als Ersatz für Nickellegierungen und Stähle sehr attraktiv. Allerdings müssen Probleme wie geringe Duktilität, Bruchfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit angegangen werden.
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Anwendungen
Das ausgezeichnete Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht sowie die Hitzebeständigkeit ermöglichen zahlreiche potenzielle Anwendungen:
| Industrie | Komponenten | Vorteile |
|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Turbinenschaufeln, Scheiben, Wellen | Gewichtseinsparung, Erhöhung der Schubkraft |
| Automobilindustrie | Turboladerräder, Ventile | Höhere Leistung, Kraftstoffeffizienz |
| Industriell | Radialverdichterräder, Schaufeln | Gewichtseinsparung, längere Lebensdauer |
Titanaluminid ermöglicht erhebliche Gewichtseinsparungen gegenüber Nickelsuperlegierungen in rotierenden Hochtemperaturbauteilen wie Turbinenschaufeln oder Verdichterrädern bei gleicher oder längerer Lebensdauer der Bauteile.
Mit diesem Werkstoff hergestellte Turboladerräder für Kraftfahrzeuge können dank des geringeren Gewichts höhere Drehzahlen und Ladedrücke erreichen. Auch in industriellen Radialverdichtern und Turbinen in der Öl- und Gasindustrie findet es zunehmend Verwendung.
Spezifikationen
Titanaluminidprodukte für die gewerbliche Nutzung müssen festgelegten Normen entsprechen:
| Attribut | Einzelheiten |
|---|---|
| Pudergrößen | 10 μm bis 150 μm |
| Partikelgrößenverteilung | D10: 20 μm, D50: 45 μm, D90: 105 μm (typisch) |
| Pulversorten | Klasse 5 (Ti-47Al-2W-0,5Si), Klasse 23 (Ti-47Al-3,5(Nb,Mn,Cr)-0,2Si) |
| Normen | ASTM B863, AMS 4999 |
| Normen für fertige Teile | AMS 4928, 4967, 4979 |
Standardisierte Prüfverfahren ermöglichen eine zuverlässige Bewertung und einen Vergleich zwischen Pulverchargen und fertigen Komponenten aus verschiedenen Titanaluminid-Legierungen. Teile können durch etablierte AMS-Güteklassen die Qualifikation für die Luft- und Raumfahrt erreichen, um in Fluggeräten verwendet zu werden.
Lieferanten und Preisgestaltung
Eine Reihe von spezialisierten Pulverherstellern bietet Titanaluminid für die additive Fertigung oder die Entwicklung von Legierungen an:
| Marke | Hersteller | Kosten des Pulvers (USD/kg) |
|---|---|---|
| CronalTM TiAl | GfE Metalle und Materialien GmbH | 500 |
| AMP 48-2-2 | ATI-Pulvermetalle | 460 |
| Ti-48Al-2Nb-2Cr | Tischlertechnik | 510 |
| Ti-47Al-2W-0,5Si | Praxair | 450 |
| Ti-Al6-Nb7 | TLS Technik GmbH | 600 |
Die Kosten pro Kilogramm sind im Vergleich zu herkömmlichen Titanlegierungen aufgrund der geringen Pulvermengen immer noch sehr hoch. Speziallegierungen, die für die additive Fertigung optimiert sind, werden jedoch zunehmend kommerziell genutzt.
Vergleich
Titanaluminide weisen im Vergleich zu konkurrierenden Hochtemperaturlegierungen erhebliche Vorteile, aber auch einige Nachteile auf:
| Ti-Aluminide | Nickel-Legierungen | Ti-Legierungen | |
|---|---|---|---|
| Dichte | Unter | Höher | Vergleichbar |
| Festigkeit bei >600°C | Höher | Unter | Unter |
| Duktilität bei Raumtemperatur | Unter | Höher | Höher |
| Kosten | Höher | Unter | Vergleichbar |
Nickelsuperlegierungen behalten ihre guten Eigenschaften bei Raumtemperatur bei, werden aber bei hohen Temperaturen deutlich schwächer. Herkömmliche Titanlegierungen sind unterhalb von 600°C begrenzt. Titanaluminide verlieren selbst bei Temperaturen bis zu 800 °C nicht an Festigkeit. Die Optimierung der Mischung aus Nachteilen und Vorteilen führt zu gezielten Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt.
Pro und Kontra
Es gibt überzeugende Vorteile von Titanaluminid, aber auch einige dauerhafte Einschränkungen:
Vorteile
- Bis zu 35% geringere Dichte als Nickellegierungen
- Beibehaltung der Festigkeit und des Moduls bei über 600°C
- Hochtemperatur-Kriechfestigkeit
- Kompatibilität mit der Titanherstellung
- Geringeres Gewicht als Verbundwerkstoffe
Benachteiligungen
- Sprödes Verhalten und geringe Duktilität
- Schlechte Bruchzähigkeit
- Anfälligkeit für Ermüdungsrisse
- Schwierigkeiten bei der Verbindung
- Schnelle Luftoxidation über 750°C
- Höhere Kosten als bei Titanlegierungen
Die stetige Entwicklung von Materialien hat dazu geführt, dass der Temperaturbereich akzeptabler Eigenschaften erweitert und die Umweltbeständigkeit verbessert wurde. Auch die Kosten sinken allmählich mit der zunehmenden Verwendung in kommerziellen Luft- und Raumfahrtmotoren.
FAQs
| Frage | Antwort |
|---|---|
| Wie schwer ist Titanaluminid im Vergleich zu Stahl oder Titan? | Mit einer Dichte von 3,7 - 4,25 g/cm3Titanaluminid ist 35% leichter als Nickellegierungen und über 40% leichter als Stähle bei vergleichbarer oder höherer Festigkeit. |
| Können Sie 3D-Druck mit Titanaluminid-Pulver? | Ja, Titanaluminid-Legierungen eignen sich sehr gut für das Pulverbettschmelzen oder die additive Fertigung durch gezielte Energieabscheidung und bieten eine größere Flexibilität bei der Eigenschaftsoptimierung als Guss- und Knetprodukte. |
| Wofür wird Titanaluminid verwendet? | Aufgrund der ausgezeichneten Hochtemperatureigenschaften und der geringeren Dichte im Vergleich zu Nickellegierungen eignet sich Titanaluminid für den Ersatz von Bauteilen wie Turbinenschaufeln, Turboladerrädern und Kompressorkomponenten in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und in industriellen Anwendungen. |
| Ist Titanaluminid spröde? | Im Gegensatz zu anderen Leichtmetalllegierungen leiden Titanaluminide aufgrund ihrer intermetallischen Beschaffenheit unter einer intrinsischen Sprödigkeit, die eine sorgfältige Konstruktion und Verwendung erfordert, um vorzeitige Risse oder Brüche, insbesondere unter Ermüdungsbelastung, zu vermeiden. |
| Wie stark ist Titanaluminid? | Unter optimalen Verarbeitungsbedingungen können Titanaluminide sowohl bei Raum- als auch bei hohen Betriebstemperaturen eine Zugfestigkeit von über 1.100 MPa und eine Streckgrenze von annähernd 1.000 MPa erreichen, was sie zum stärksten metallischen Leichtbauwerkstoff macht. |
Schlussfolgerung
Mit ihrer seltenen Mischung aus geringer Dichte, Beibehaltung von Hochtemperaturfestigkeit und -modul, Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen, Ermüdungsverhalten und Oxidationsbeständigkeit füllen γ-TiAl-basierte Titanaluminide eine einzigartige materialtechnische Nische.
Trotz laufender Bemühungen, die Duktilität und Bruchzähigkeit bei Umgebungstemperatur zu erhöhen, schränkt die intrinsische Sprödigkeit des intermetallischen Werkstoffs eine breitere Anwendung weiterhin ein. Die Anwendungen konzentrieren sich darauf, schwerere Nickellegierungen zu ersetzen, wenn die Einschränkungen der Umweltbeständigkeit behoben werden können.
Die pulvermetallurgische Herstellung in Verbindung mit präzisen Konsolidierungsverfahren wie der additiven Fertigung hat den Bereich der nutzbaren mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Schadenstoleranz und Ermüdungsverhalten bei hohen Zyklen erweitert. Dies hilft, frühere Hindernisse bei der Kommerzialisierung zu überwinden.
Die Erforschung von Legierungszusätzen, neuartigen Verarbeitungsmethoden wie der additiven Fertigung und thermomechanischen Behandlungen zielt darauf ab, das volle Potenzial dieser fortschrittlichen Leichtmetalllegierungsfamilie zu erschließen. Die angestrebte Substitution von Komponenten für Gasturbinen und Automotoren treibt heute die frühe Einführung voran.
